工业机器人布局再加速，如何利用状态监测保障机器健康？

在全球性的数字化浪潮冲击下，传统制造业纷纷朝着“智能制造”升级加码，而在后疫情时代，工厂“去人工化”的趋势明显，工业机器人行业景气度不断回升。根据中商产业研究院调查数据显示，近年来，我国工业机器人产量稳步增加。2016年工业机器人产量7．24万套，2020年突破20万套，同比增长19．1％。2021年上半年，我国工业机器人产量继续增加，产量达到17．36万套，同比增长69．8％。

随着工业机器人的布局再加速，如何保障机器健康以进行正常生产活动成为企业关注的重点。与可灵活调整的人力劳动不同，机器故障所带来的停机将影响到整个制造流程，并带来时间成本和经济成本的损失，因此保证设备系统低故障甚至无故障运行成为全球智能制造业需要解决的必要问题。随着维修理论和相关技术的发展，基于状态的监测（CBM）被认为是解决上述问题最佳途径之一。

（企业供图，下同）

“听懂”振动，CBM如此对症下药

CBM，即Condition－based Maintenance，中文译为基于状态的监测，而后逐渐衍生出状态监测、工业监测等笼统说法。事实上CBM是一种维护方式，其主要以状态监测技术为基础，以设备状态信息与处理技术及维修分析决策技术为核心，对设备进行各种参数测量随时反映设备实际状态。测量的参数可以在足够的提前期间发出警报，以便采取适当的维修措施，提高设备运行的稳定性、减少维护费用，最大限度利用设备的使用寿命。

利用振动观察机器健康状况是常见的监测手段之一。机器在输入能量转化为有用功的过程中，均会产生振动。不过非正常振动会影响工业设备的健康状态，比如降低机械加工的精度和光洁度，加剧构件的疲劳和磨损，缩短机器和结构物的使用寿命。此外，振动还会增加能耗，降低机器效率，而非正常振动有时会使机器发生大变形而损坏，甚至造成灾难性的事故。因此基于振动的CBM极具意义。有行业报告数据显示，机器状态监测一年可以帮助降低12％的维修成本，并将机器可用性大幅提高至92％，基于状态的维护还可以减少约25％的意外故障，修理和检修时间降低几乎一半，备件的库存也可以减少20％。

如何“听懂”振动并对症下药？ADI公司推出的基于ADcmXL3021以及ADXL1002等产品的状态监控解决方案是一剂良方。ADcmXL3021模块是一套完整的振动检测系统。利用ADI屡获殊荣的微机电系统传感器技术MEMS技术，机器健康数据将被转化为实时的、可操作的监测用以防止工作中断，将高性能振动检测与多种信号处理功能结合在一个紧凑的外形中，简化了基于状态监测系统的智能传感器节点的开发过程，提高了安全性和降低成本。

CBM系统是预防性维护的一个重要组成部分，其加速度计的关键指标是低噪声和宽带宽。ADcmXL3021模块拥有MEMS加速度计的超低噪声密度（25 μg／√Hz）可支持出色的分辨率。宽带宽（直流至10 kHz，平坦度为5％）可以在多个机器平台上跟踪关键振动特征，通过监控机械疲劳和故障的早期指标来提高生产效率并减少设备维修，适用于各种工业设备和运输车辆。

除此之外， ADI公司开发的ADXL356 ／ ADXL357 三轴传感器系列，同样适用于CBM应用。它具有非常好的噪音性能和出色的温度稳定性。尽管它们的带宽有限为1．5 kHz（谐振频率＝ 5．5 kHz），但这些加速度计仍可在低速设备（如风力涡轮机）的状态监测中提供重要读数。

与此同时，ADI旗下ADXL100x系列中的单轴传感器适用于更高带宽。它们在极低的噪声水平下提供高达24 kHz（谐振频率＝ 45 kHz）的带宽和高达±100 g的g范围。由于带宽高，可以使用该传感器系列检测旋转机器中发生的大多数故障（滑动轴承损坏，不平衡，摩擦，松动，齿轮缺陷，轴承磨损和气蚀）。

CBM的状态监测涉及大量的数据采集和处理，除了震动传感器前端的原始数据处理，通过海量采集的数据深度解读发现潜在的“病态”状态才是关键。为此，ADI开发了OtoSense这款人工智能驱动的传感解译平台，可以获取、学习和感知任何机器振动数据，通过各种连续状态监控功能，它可以分析设备运行状况，监督制造过程并及早察觉异常避免造成问题。

应对无线趋势，SmartMesh成为CBM关键

然而，CBM产生的大量数据在数据采集端实现实时处理很多时候并不现实，将数据传送到附近、远端或甚至云端是这种人工智能应用的一种常见选择，而对于震动监测应用而言，布设有线传输数据不太现实，而在嘈杂且采用金属结构、传导性很差的工业环境中传输，数据采集传输往往会成为CBM面临的一大难题。因为这些传感器不一定非常靠近数据记录器，在已有的厂房环境中布线和供电更是一件难事，因此工业无线通信是数字转型的关键因素。为了让传感器在苛刻的工业物联网环境中进行顺畅通信，ADI公司的SmartMesh工业Mesh网络应运而生。SmartMesh的无线节点放置不受现有空间限制，在金属和混凝土结构中能够可靠工作，同时还能够像工厂管理软件发送实时读数。这种数据可用来迅速、准确地确定工业设备的运行状态。

通过将MEMS振动检测与ADI SmartMesh无线连接网络相结合，将实时数据通过SmartMesh无线网络上传服务器，通过电池供电的低功耗设计，在本地计算和分析频域数据。SmartMesh还可确保振动检测的部署更具普遍性。此类完全集成的传感器无需依赖于翻新接线／基础设施，不仅能够更精确可靠地检测出性能变化，而且能够显著降低预付和重复维护成本。

在应对工业数据传输中，保证数据可靠性和稳定性尤为重要，这也是SmartMesh获得广泛采纳的原因之一。它运用时间同步化网格协议以提供网络灵活性、可靠性和可扩展性，同时提供先进的网络管理及全面的安全特性。SmartMesh产品线经过现场验证，即使在最严苛的环境中也不失稳定性，高达99．99％的稳定性其为一种完整的网格网络解决方案。

小结

自2013年起，中国就已经成为了全球第一大工业机器人市场，而智能制造的发展正在为工业机器人发展进一步注入动力。ADI公司提供准确、可靠的状态监控解决方案可帮助企业捕获机器运行的关键信号并将其转换为可行的见解，助力工业机器人更健康地工作，保障工业资产安全。